Rechnernetze: Technische Grundlagen

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1 Rechnernetze: Technische Grundlagen LAN-Technik (Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, FDDI) 28. Oktober 1999 WS 1999/2000 Veranstaltungsnummer Guido Wessendorf Zentrum für Informationsverarbeitung Westfälische Wilhelms-Universität Münster Themenübersicht Definition lokaler Rechnernetze nach ISO/IEC Typische Eigenschaften Lokaler Rechnernetze Netzwerk-Topologien Physikalisches Übertragungsmedium Zugriffsverfahren / Standards Ethernet Fast Ethernet Gigabit Ethernet FDDI Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 2

2 Definition lokaler Rechnernetze nach ISO/IEC 847 Ein LAN (Local Area Network) ist ein Netzwerk mit folgenden Merkmalen: bit-serielle Übertragung von Informationen Übertragung zwischen unabhängigen, untereinander verbundenen Geräten gemeinsame Benutzung des Übertragungsmediums durch die verbundenen Geräte Möglichkeit der Unicast- ( Einer mit Einem ), Multicast- ( Einer mit Mehreren ), Broadcast- ( Einer mit Allen ) Kommunikation begrenzte geographische Ausdehnung beschränkt auf privaten Bereich des Benutzers Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 3 Typische Eigenschaften lokaler Rechnernetze hohe Übertragungsrate: zur Zeit ca. 10 MBit/s - 1 GBit/s niedrige Bit-Fehlerrate: ca räumliche Ausdehnung von ca. einigen 100 m bis einigen 10 km, z.b. Bürogebäude, Werksgelände, Campus, Anschluß unterschiedlicher Rechnerarchitekturen umfassendes Anwendungsspektrum, u.a. Nachrichtenaustausch Zugriff auf zentrale Betriebsmittel Zugriff auf die Verarbeitungskapazität anderer Rechner Zugriff auf zentrale Datenbestände Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 4

3 Netzwerk-Topologien Die Topologie eines Netzwerks zeigt die Art und Weise, wie die beteiligten Rechner- und Kommunikationssysteme miteineinander verbunden sind (Unterscheidung physikalische/logische Topologie). Eine Topologie steht eng im Zusammenhang mit den verwendbaren Anschluß- und Zugriffs-Methoden. Die eingesetzten Methoden und Techniken geben dabei einzuhaltene Regeln und Kenngrößen vor, u.a.: min./max. Abstand benachbarter Geräte max. Segmentlänge des Übertragungsmediums max. Anzahl anschließbarer Geräte Adressierung der Geräte Übertragungs-Medium (Kupferkabel, Lichtwellenleiter, Funk), Übertragungs-Rate (Bit/s) und Übertragungs-Technik (Kodierung der Bits) Folgende Topologie-Grundformen sind verbreitet: Bus, Stern, Ring oder vermascht Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 5 Netzwerk-Topologien (2) linearer Bus Ethernet / IEEE (10Base2, 10Base5) sternförmig verkabelter Bus Ethernet / IEEE 802.3i (10BaseT, 100BaseT, 1000BaseT) sternförmig verkabelter Ring Token Ring / IEEE gegenläufiger Doppelring FDDI / ISO 9314 vermascht z.b. ATM Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 6

4 Bus-Topologie + geringer Verkabelungsaufwand Störungen einzelner Systeme wirken sich auf gesamten Bus aus Management einzelner Systeme Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 7 Sternförmige-Topologie Hub + bessere Managebarkeit und höhere Sicherheit + bessere Fehlerlokalisierung + gezieltes Freischalten/Abschalten von Ports + erlaubt neuere Technologien wie Fast-/Gigabit-Ethernet + i.d.r. Standard für heutige Gebäude-Neuverkabelungen Verkabelung aufwendig Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 8

5 Ring-Topologie Datenrichtung Tx Rx Rx Tx Rx Tx Sekundärer Ring Rx Tx Tx Rx Tx Rx Primärer Ring Tx Rx Rx Tx + einfache Verkabelung + Fehlertoleranz deckt nur Fehler eines Kabelweges bzw. eines Systems ab neue Technologien i.d.r. für sternförmige bzw. vermaschte Topologien Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 9 Physikalisches Übertragungsmedium Das physikalische Medium verbindet die am Netzwerk angeschlossen Geräte und macht so Internetworking möglich. Die wesentlichen Grundtypen von physikalischen Übertragungsmedien sind zur Zeit: Koaxialkabel 10Base5 ( Yellow Cable, Thick Ethernet ) 10Base2 / RG-58 ( Cheapernet, Thin Ethernet ) verdrilltes Kupferkabel Shielded Twisted Pair (STP) Unshielded Twisted Pair (UTP) Glasfaser drahtlose Übertragung Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 10

6 Physikalisches Übertragungsmedium (2) Neuverkabelungen in der Regel nur noch mit Twisted Pair (Kategorie 5, UTP bzw. STP) Glasfaser + abhörsicherer + keine elektrischen Interferenzen + unterstützt gößere Kabellängen + dünnes Kabel nicht knicken! Interface relativ teuer Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 11 Zugriffsverfahren / Standards (unvollständig!) IEEE Introduction* OSI-Layer 2 2a 2b IEEE (Ethernet) CSMA/CD LLC (Logical Link Control) IEEE IEEE Token Bus IEEE Token Ring ISO 9314 FDDI IEEE DQDB OSI-Layer 1 10Base2 10Base5 10BaseT 10BaseF 100BaseTX 100BaseT4 100BaseFX 1000BaseTX 1000BaseSX 1000BaseLX 1000BaseLH Fiber UTP/STP (100MBit/s) * Beziehungen der Standards untereinander, Einordnung in das OSI- Modell, Netzwerkmanagement, Informationen zum Internetworking Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 12

7 Ethernet Ethernet (Vers. 1) wurde in frühen 70 er Jahren entwickelt und 1980 als DIX-Standard (Digital, Intel und Xerox) veröffentlicht mit Modifikationen wurde Ethernet in IEEE und ISO 8802/3 übernommen (DIX: Ethernet Vers. 2) (1985) Übertragungsrate: 10 MBit/s (10Base...) Zugriffsmethode basiert auf dem Carrier Sense Multiple Access mit Collision Detection (CSMA/CD) Verfahren (zur Zeit) meist verbreitete Netzwerk-Technolgie Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 13 Die Ethernet-Architektur und das OSI-Modell Beispiel: 10Base5-Architektur OSI-Layer 2 15 Pin D Connectors I/O Bus Ethernet Controller LLC (Logical Link Control) MAC (Media Access Control) PLS (Physical Line Signaling) OSI-Layer 1 Tranceiverkabel 15 Pin D Connectors AUI (Attachment Unit Interface) Tranceiver Tap PMA (Physical Medium Attachment) MDI (Medium Dependant Interface) MAU Koax Kabel (Media Access Unit) Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 14

8 Normale Ethernet-Operation A sendet Daten nach C: Adresse falsch, Daten werden verworfen B C Adresse stimmt, Daten werden verarbeitet A sendet Daten zur Adresse von C A Shared-Medium: Daten werden von allen s gesehen D Adresse falsch, Daten werden verworfen Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 15 CSMA/CD Carrier Sense: Abhören des Übertragungsmediums durch sendewillige Station(en) Multiple Access: gleichberechtigter konkurrierender Zugriff aller sendewilligen Stationen Collision Detection: Abhören des Mediums während des Sendevorgangs (evtl. Feststellen von Kollisionen) bei Kollision Absenden eines Jam-Signals Abbruch aller Sendevorgänge nach Erkennen eines Jam- Signals erneutes Senden der Daten nach zufällig ausgewählter Verzögerungszeit (Erkennung und Neusendung im Mikro Millisekundenbereich) Wiederholung des Verfahrens bei erneuter Kollision (max. 15 ) nichtdeterministisches Verfahren Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 16

9 Ethernet Kollision Station A und Station C wollen ( gleichzeitig) senden: B Collision Detection Multiple Access Senden Senden Carrier Sense Carrier Sense A C Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 17 Vergleich Durchsatz / Verzögerung zwischen IEEE und IEEE CSMA/CD gehört zu den nichtdeterministischen Verfahren Token Ring gehört zu den deterministischen Verfahren Durchsatz mittlere Verzögerung % Netzlast % Netzlast Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 18

10 Aufbau eines Ethernet Frames 7 Bytes 1 Byte 6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes 46 bis 1500 Bytes 4 Bytes Präambel Frame-Anfangskennzeichnung Empfänger-Adresse Absender-Adresse Typ-Feld Daten Prüfsequenz Paketlänge ohne Präambel und Frame-Anfangskennzeichnung: Bytes Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 19 Ethernet-Adresse (MAC-Adresse) ccccccug cccccccc cccccccc mmmmmmmm mmmmmmmm mmmmmmmm u = Universal-/Local-Bit (0 = Universal) g = Individual-/Group-Bit (0 = Individual) c = Company, Hersteller-Kennung m = Manufacturer, Herstellerspezifische Kennung Beispiel: 00:00:C0:31:53:D3 Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 20

11 10Base5 ( Yellow Cable, Thick Ethernet ) Medium: 50Ω Koaxialkabel, 1cm Topologie: Bus Übertragungsrate: 10 MBit/s max. Länge eines Kabelsegments: 500 m max. Länge eines Tranceiverkabels: 50 m max. Netzausdehnung: 3000 m (max. 5 Segmente + AUI-Kabel) Mindestabstand zwischen zwei Tranceivern: 2,5 m max. Anzahl Stationen pro Segment: 100 Anschluß des Rechners externer Tranceiver am Yellow Cable Tranceiverkabel (AUI: Attachment Unit Interface) Adapterkarte im Rechner (Ethernet-Controller) auch Doppel- oder Vierfach-Tranceiver möglich Tranceiver-Multiplexer (Fanout) zum Anschluß von bis zu 8 Stationen an einen Tranceiver Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 21 10Base5 Anwendungsbeispiel Tranceiver- Kabel Tranceiver Repeater Abschlußwiderstand (50Ω) Fanout Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 22

12 10Base2 ( Cheapernet, Thin Ethernet ) Medium: 50Ω Koaxialkabel (Thin Ethernet, RG58), 0,46 cm Topologie: Bus Übertragungsrate: 10 MBit/s max. Länge eines Kabelsegments: 185 m max. Netzausdehnung: 925 m (max. 5 Segmente) Mindestabstand zwischen zwei Anschlüssen: 0,5 m max. Anzahl Stationen pro Segment: 30 Anschluß eines Rechners interner Tranceiver auf Ethernet-Controller im Rechner Anschluß des Controllers direkt mittels BNC-T-Stecker an das Koaxialkabel, d.h. das Übertragungsmedium wird bis zum Rechner geführt Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 23 10Base2 Anwendungsbeispiel Tranceiver Tranceiver- Kabel Abschlußwiderstand (50Ω) Repeater BNC- T-Stecker Repeater Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 24

13 10BaseT (Twisted Pair Verkabelung) Medium: Unshielded Twisted Pair (UTP) Kabel physikalische Topologie: Stern Übertragungsrate: 10 MBit/s max. Länge eines Kabelsegments: 100 m (90 m Verteiler-Anschlußdose, 10 m Anschlußdose Rechner) Anschluß eines Rechners 8-poliger RJ45-Stecker (auch Westernstecker genannt) es gibt Twisted Pair Tranceiver für den Anschluß von AUI- Interfacen Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 25 10BaseF (Glasfaser-Verkabelung) Medium: zwei Glasfasern physikalische Topologie: Stern Übertragungsrate: 10 MBit/s max. Länge eines Kabelsegments: 2000 m (MultiMode) Anschluß eines Rechners ST-Stecker Fiber Optics Tranceiver für den Anschluß von AUI-Interfacen Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 26

14 Fast Ethernet Seit 1995: IEEE 802.3u 100BaseT Standard(s) verfügbar Medium: 100BaseTX: Cat-5 UTP/STP (2-Paar Verdrahtung) 100BaseT4: Cat-3,-4,-5 UTP (4-Paar Verdrahtung) 100BaseFX: 2-adriges Glasfaserkabel physikalische Topologie: Stern Übertragungsrate: 100 MBit/s max. Länge eines Kabelsegments: 100BaseTX/T4: 100 m (wie 10BaseT), 100BaseFX: 412 m* (MM) (* falls Repeater verwendet werden: weniger als 412 m) Anschluß eines Rechners: 100BaseTX/T4: RJ45-Stecker 100BaseFX: SC- oder ST-Stecker Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 27 Gigabit Ethernet Juni 1998: IEEE 802.3z 1000Base-X Standard(s) verabschiedet Medium: 1000BaseTX: Cat-5 UTP (2-Paar Verdrahtung) 1000BaseSX: Short Wavelength, MultiMode 1000BaseLX: Long Wavelength, MultiMode/SingleMode 1000BaseLH: Long Haul, SingleMode physikalische Topologie: Stern Übertragungsrate: 1 GBit/s Anschlußtechnik: 1000BaseTX: RJ45-Stecker 1000BaseSX/LX/LH: SC-Stecker Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 28

15 FDDI FDDI: Fiber Distributed Data Interface (ISO 9314) Übertragungsrate: 100 MBit/s erweiterte Ring-Topologie mit zwei gegenläufigen Glasfaser- Ring-Leitungen (Doppelring) Überbrückung von Kabelbrüchen und Knotenausfällen bei Stationen, die an beide Ringe angeschlossen sind, durch Bypass-Switch ( fehlertolerantes Verkabelungssystem) max. Entfernung zwischen zwei Stationen: 2 km max. Ringumfang: 100 km max. Anzahl von Stationen: 1000 FDDI ist hauptsächlich eine Backbone -Technologie Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 29 FDDI Mediumzugangsprotokoll Token-Ring-Verfahren (deterministisches Verfahren) warten der sendewilligen Station auf bestimmtes Bitmuster (sogenanntes freies Token) Umwandlung des freien Token in ein belegtes Token durch Anhängen der zu übertragenden Daten Generierung eines neuen freien Token im Anschluß an die Übertragung Multiple-Token-Ring: Transport mehrer Datenpakete gleichzeitig über den Ring Informationen über empfangene Daten am Ende des Frames Entfernung der Daten vom Ring durch den Sender Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 30

16 Multiple-Token-Verfahren D 6. D kopiert Daten von A 1. A will nach D senden und wartet auf Token 7. A erkennt eigene Daten A 8. A entfernt Daten 10. C erkennt eigene Daten und entfernt sie 5. C sendet C 3. A generiert neues Token 4. C will nach B senden 2. A sendet und wartet auf Token 9. B kopiert Daten von C B Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 31 Backupverbindung durch optischen Bypass DAS DAS Bypass Bypass DAS Sekundärer Ring DAC Primärer Ring SAS SAS DAS = Dual Attached Station (Class A) DAC = Dual Attached Concentrator (Class A) SAS = Single Attached Station (Class B) Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 32

17 Aufbau eines FDDI Frames 8 Bytes 1 Byte 1 Byte 6 Bytes 6 Bytes variabel 4 Bytes 1 Byte Präambel Frame-Anfangskennzeichnung Rahmenkontrolle Empfänger-Adresse Absender-Adresse Daten Prüfsequenz Rahmenende, Frame-Status max. Paketlänge inkl. Präambel und Rahmenende: 4500 Bytes Rechnernetze: Technische Grundlagen, 28. Oktober 1999, Guido Wessendorf 33